液滴微流控技術(shù)用于各種分析和生物分析應(yīng)用

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，近年來(lái)，液滴微流控技術(shù)已在分析和生物分析領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在基于液滴微流控的分析過(guò)程中，裝置內(nèi)離散成液滴的樣本主要通過(guò)管道加載，但這種基于管道的樣品加載具有處理多樣本的可擴(kuò)展性有限、自動(dòng)化困難和樣本浪費(fèi)等缺點(diǎn)。雖然自動(dòng)進(jìn)樣器的進(jìn)步已經(jīng)緩解了其中一些缺點(diǎn)，但可以替代基于管道的樣品加載技術(shù)，提供了一種潛在的有希望的替代方案，但尚未得到充分探索。

為了填補(bǔ)這一空白，來(lái)自約翰斯·霍普金斯大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種液滴生成裝置，該裝置具有新穎的無(wú)需管道的樣品加載接口（TESLI）。TESLI集成了一個(gè)可調(diào)節(jié)真空和壓力源的可編程氣動(dòng)微閥網(wǎng)絡(luò)，因此可以將連續(xù)的亞微升樣品直接點(diǎn)樣到與大氣互通的TESLI入口，然后利用真空注入到裝置中，并在最小程度的浪費(fèi)下，在裝置內(nèi)將樣品加壓成納升液滴。此外，相同的真空和壓力調(diào)節(jié)還賦予TESLI清潔和樣品切換能力，從而能夠具備連續(xù)處理多個(gè)樣品的可擴(kuò)展性。

無(wú)管樣品加載和集成液滴裝置

TESLI和集成液滴裝置的開(kāi)發(fā)有助于簡(jiǎn)化樣品點(diǎn)樣、基于TESLI的樣品注入和液滴生成以及在線液滴孵化和檢測(cè)的工作流程。無(wú)需將樣品預(yù)加載到管道中，然后將管道插入入口，而是可以通過(guò)移液機(jī)器人或移液槍將樣本直接點(diǎn)樣到與大氣互通的TESLI入口上，然后再將其注入裝置。此外，一對(duì)TESLI被合并在同一裝置中，以交替操作并最大限度地減少空閑時(shí)間。當(dāng)一個(gè)新樣品（Sn）利用真空通過(guò)一個(gè)TESLI的入口注入到裝置中時(shí)，另一個(gè)TELSI中先前加載的樣品（Sn-1）同時(shí)被加壓到充滿油的液滴集成通道中，與此同時(shí)，試劑（R）從試劑通道加壓進(jìn)入液滴集成通道，并在此和樣品混合以形成納升液滴。然后，每個(gè)生成的液滴都被加壓油相向下游推進(jìn)，以相對(duì)于相鄰液滴的固定位置進(jìn)行在線孵育，從而使液滴位置起到獨(dú)特的條形碼作用。最后，隨著每個(gè)液滴順序流過(guò)裝置中的檢測(cè)區(qū)域，定制的激光誘導(dǎo)熒光（LIF）檢測(cè)器測(cè)量來(lái)自每個(gè)液滴的熒光信號(hào)，從而產(chǎn)生用于分析的熒光跡線。

圖1 通過(guò)TESLI（無(wú)需管道的樣品加載接口）和集成液滴裝置實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化的工作流程

圖2 具有雙TESLI的集成液滴裝置。集成液滴裝置由兩個(gè)PDMS層組成：產(chǎn)生、孵育和檢測(cè)液滴的頂部流體層（填充綠色染料以進(jìn)行可視化）和底部閥層，其中微閥被驅(qū)動(dòng)以調(diào)節(jié)液滴的產(chǎn)生和流動(dòng)（填充用于可視化的紅色染料）。

TESLI如何運(yùn)行

TESLI以4步循環(huán)運(yùn)行：在入口處點(diǎn)樣樣品，在裝置中注入和儲(chǔ)存樣品，從注入的樣品中產(chǎn)生液滴，以及清潔裝置中未使用的樣品。對(duì)于每個(gè)新樣本，TESLI只需重復(fù)循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展操作。

圖3 TESLI如何運(yùn)行

清潔效率和死體積的表征

由于每個(gè)TESLI在使用過(guò)程中需依次注入多個(gè)樣品，因此必須通過(guò)有效清潔將交叉污染的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。為此，研究人員評(píng)估了3種清潔方案——直接連續(xù)去離子（DI）水清洗（圖4a）、排氣后連續(xù)去離子水清洗（圖4b）、循環(huán)排氣和短暫去離子水清洗（圖4c）。在啟動(dòng)所有3種清潔方案后，觀察到熒光強(qiáng)度立即降低，所有這些都逐漸接近基線，表明有效清潔。然而，為了盡量減少交叉污染，有必要比較熒光強(qiáng)度的微小增加。評(píng)估結(jié)果表明，后兩者的熒光強(qiáng)度恢復(fù)到基線強(qiáng)度，而第一個(gè)清洗方案的熒光強(qiáng)度保持在基線強(qiáng)度以上，這表明樣品存儲(chǔ)通道中仍有未清洗的熒光素（FAM）殘留物。在清潔有效性相當(dāng)?shù)暮髢蓚€(gè)方案之間，研究人員選擇了第二個(gè)清潔方案用于這項(xiàng)工作的其余部分，因?yàn)樵谠摲桨傅难h(huán)清潔計(jì)劃中只需要點(diǎn)DI水1次而不是8次。

圖4 清潔效率和死體積的表征

盡管初步結(jié)果比較理想，但研究人員開(kāi)發(fā)的該TESLI和集成液滴裝置仍有局限性，因此需要進(jìn)一步的改進(jìn)。首先，目前該裝置需要手動(dòng)移取樣品和去離子水，因此，研究人員設(shè)想利用TESLI獨(dú)特的開(kāi)放式樣品點(diǎn)樣能力，并結(jié)合移液機(jī)器人技術(shù)，如OpenLH和其他開(kāi)源移液系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化。此外，研究人員還計(jì)劃設(shè)計(jì)一種新的TESLI，通過(guò)移液機(jī)器人即可在不重復(fù)點(diǎn)DI水的情況下進(jìn)行清潔。另外，研究人員計(jì)劃將TESLI與基于氣動(dòng)微閥的液滴發(fā)生器，尤其是該研究團(tuán)隊(duì)之前開(kāi)發(fā)的集成可編程微滴匯編器（iPPA）相結(jié)合，該裝置可以通過(guò)集成基于氣動(dòng)微閥的液滴發(fā)生器和基于流動(dòng)聚焦接頭的液滴發(fā)生器來(lái)生成成千上萬(wàn)個(gè)獨(dú)特的液滴組。這種組合裝置可以實(shí)現(xiàn)液滴微流控技術(shù)前所未有的可擴(kuò)展性。隨著這些未來(lái)的改進(jìn)，TESLI有可能成為液滴微流控中強(qiáng)大的樣品加載方法，用于各種分析和生物分析應(yīng)用。